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Die Erfindung betrifft ein Faserkunststofflaminat-Bauteil, das aus einem faserverstärkten Kunststoffsubstrat und einer Beschichtung besteht, wobei die Beschichtung eine solche Qualität aufweist, die geeignet ist, eine Sichtseite des Bauteils zu bilden. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung solcher Faserkunststofflaminat-Bauteile offenbart.
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Um Rauhigkeiten an der Oberfläche von Faserkunststoffverbundbauteilen auszugleichen und eine lackierfähige Oberfläche zu erhalten, sind Beschichtungen auf den Sichtseiten von Fasergewebe-Kunststoff-Laminaten bekannt, die etwa durch eine kunststoffbasierte Lackschicht und einer vorher aufgebrachten Primerauftragung realisiert werden, die dazu dient, durch die Faseranordnung erzeugte Rauhigkeiten auszufüllen. Alternativ ist bekannt, eine eingefärbte Kunststoffdeckschicht aufzubringen, die die Rauhigkeiten quasi „überschwemmt”.
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Faserverstärkte Kunststoffbauteile werden zunehmend im Automobilbau eingesetzt, da sie leicht formbar sind und bei hoher Stabilität ein geringes Gewicht aufweisen. Ein Verfahren zur Beschichtung eines zu lackierenden Bauteils aus einem solchen Kunststoff, um dieses mit einer lackierfähigen Oberfläche zu versehen, ist in der
DE 102 59 597 A1 beschrieben. Dazu wird die zu lackierende Oberfläche mit einem Prepolymer beschichtet, das mit elektrisch leitenden Substanzen versetzt ist. Dieses Prepolymer wird in zwei Stufen vernetzt beziehungsweise ausgehärtet, wobei die erste Vernetzung zur Fixierung auf dem faserverstärkten Kunststoff dient und die endgültige Aushärtung mit einem weiteren Verarbeitungsschritt verbunden werden kann. Der Zuschlag von elektrisch leitenden Substanzen soll eine nachfolgende elektrostatische Lackierung, insbesondere eine kathodische Tauchlackierung möglich machen.
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Ein Nachteil bei den mit einer Kunststoffdeckschicht versehenen Faserkunststoffbauteilen liegt allerdings in dem allmählichen Einfallen der zunächst glatten Oberfläche an den Kreuzungsstellen der Fasern im Gewebe, da der Faser-Kunststoff-Verbund des tragenden Substrats ein anderes Langzeitschwindungsverhalten aufweist als die Deckschicht. Diese weist zudem an Rauhigkeiten und Faser-Kreuzungsstellen des Substrats eine viel größere Schichtdicke auf als direkt über einer oberflächlich liegenden Faser der tragenden Unterstruktur. So dringt die raue Oberflächenstruktur des Substrats langsam bis zur Sichtoberfläche durch.
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Ferner beschreibt das
US Patent Nr. 5,358,779 ein Laminat aus einem faserverstärkten thermisch gehärteten Substrat und einer als Primer fungierenden Beschichtung aus einem Gummimaterial, mit dem oberflächliche Risse des faserverstärkten Substrats reduziert und maskiert werden sollen, ohne die physikalischen Eigenschaften des Laminats zu verändern.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Beschichtung für ein faserverstärktes Kunststoffbauteil bereitzustellen, die dauerhaft eine Sichtoberfläche mit höchster Glätte bereitstellt, und bei der sich die Oberflächenstruktur des tragenden Faserverbundkunststoff-Bauteils nicht allmählich durch die Deckschicht an die Oberfläche durchschlägt.
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Diese Aufgabe wird durch ein Faserkunststofflaminat-Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Aufgabe der Herstellung eines solchen Bauteils wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
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Weiterbildungen des Bauteils und des Verfahrens sind in den jeweiligen Unteransprüchen ausgeführt.
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In einer ersten Ausführungsform des Faserkunststofflaminat-Bauteils, das ein faserverstärktes Kunststoffsubstrat und eine Beschichtung aufweist, besteht die Beschichtung aus einem Kunststoffmaterial, das zumindest ein Zuschlagmaterial wie Kurzfasern, Füllstoffe oder beides enthält. Dabei sind die Eigenschaften des mit dem Zuschlagmaterial versetzten Kunststoffmaterials der Beschichtung hinsichtlich Schwindungsverhalten und Wärmedehnung denen des faserverstärkten Kunststoffsubstrats angepasst beziehungsweise entsprechen diesen. So weist das Faserkunststofflaminat-Bauteil über seine gesamte Bauteilwanddicke eine einheitliche Schwindung auf, die Dickenschwankung der gesamten Bauteilwand ist dabei relativ geringer als die Dickenschwankung der Beschichtung allein und damit entsprechend die Schwindungsschwankung der Sichtoberfläche.
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Somit können die im Stand der Technik allmählich erscheinenden, Gewebestruktur-bedingten Schwindungsdellen auf der Oberfläche minimiert werden, die damit sogar die Eignung erlangen, eine Sichtseite des Bauteils zu bilden. Natürlich kann das Bauteil mit der nunmehr optisch ansprechenden Seite auch im Nicht-Sichtbereich eingesetzt werden. Die Beschichtung ist zweischichtig aufgebaut, wobei eine erste Schicht an das Kunststoffsubstrat angrenzt und die zweite Schicht an die erste Schicht angrenzt und die Sichtseite des Bauteils bildet. Dabei liegt das Zuschlagmaterial in der substratnahen Schicht angereichert und in der die Sichtseite des Bauteils bildenden zweiten Schicht abgereichert vor, so dass letztere mit einer sehr glatten Oberfläche mit hoher optischer Güte ausgebildet werden kann. Durch die Beschichtung kann das Bauteil folglich „Sichtseitenqualität” und damit eine Class-A-Qualität aufweisen.
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Ferner kann das Kunststoffmaterial der Beschichtung Farbpigmente umfassen, so dass bereits die qualitativ hochwertige Oberfläche der Beschichtung eine gewünschte Farbgebung aufweisen kann und eine nachfolgende Lackierung vorteilhaft Kosten sparend wegfallen kann.
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Bei den Kunststoffmaterialien von Substrat und Beschichtung kann es sich um die gleichen oder um sich unterscheidende Kunststoffmaterialien handeln, wobei jedoch insbesondere Kunststoffmaterialien mit thermoplastischer Kunststoffmatrix aufgrund deren Verarbeitbarkeit bzw. Umformbarkeit bevorzugt sind. Als geeignete thermoplastische Materialien seien beispielsweise Polyamid, Polyphthalamid oder Polyurethan genannt.
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Sowohl für das Substrat als auch für die Beschichtung kann ein Faseranteil bei etwa 15 Vol.-% bist etwa 60 Vol.-% liegen. Fasermaterialien in Substrat und Beschichtung können unabhängig voneinander beispielsweise aus Glas und/oder Carbon bestehen.
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Je nach Wahl von Kunststoffmatrix und Fasermaterial können die Volumenverhältnisse von Fasern zu Kunststoffmaterial in Substrat und Beschichtung variieren, um das gewünschte in Substrat und Beschichtung entsprechende Schwindungsverhalten und Wärmedehnung zu erhalten. Bestehen die Fasern des Substrats und die Kurzfasern der Beschichtung aus dem gleichem Material und weisen die Kunststoffmaterialien des Substrats der Beschichtung die gleichen thermoplastische Matrix auf, so kann vorteilhaft das Volumenverhältnis der Kurzfasern zum Kunststoffmaterial der Beschichtung entsprechend dem Volumenverhältnis der Fasern zu dem Kunststoffmaterial des Substrats gewählt werden, um für Beschichtung und Substrat ein entsprechendes Wärmedehnungs- und Schwindungsverhalten zu erhalten.
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Das geschaffene Faserkunststofflaminat-Bauteil kann somit vorteilhaft nicht nur eine einer Lackierung entsprechende farbige Bauteiloberfläche aufweisen, auch die Biegefestigkeit und Biegesteifigkeit des Bauteils kann gegenüber einer herkömmlichen Lackierung durch die mittels Kurzfasern versteifte und verfestigte Beschichtung des Bauteils gesteigert werden.
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Ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Faserkunststofflaminat-Bauteils, das eine kostengünstige Formgebung zusammen mit der Veredelung der Sichtoberfläche bis zu hoher optischer Qualität allein im Formgebungswerkzeug ohne späteren Veredelungs-Arbeitsgang ermöglicht, umfasst die Schritte des Anordnens eines Faserkunststoffhalbzeugs, welches das faserverstärkte Kunststoffsubstrat des Bauteils bilden wird, sowie des die Beschichtung bildenden zuschlagmaterialhaltigen Kunststoffmaterials in einem Formgebungswerkzeug, wobei beim Formen des Bauteils mit dem faserverstärkten Kunststoffsubstrat und der Beschichtung durch das Zuführen von Wärme und Ausüben eines Pressdrucks der Zweischichtaufbau der Beschichtung ausgebildet wird. Die zuschlagmaterialreiche, an das Substrat angrenzende Schicht macht den Hauptanteil der Beschichtung aus und sorgt für die gewünschten Eigenschaften hinsichtlich Wärmedehnung und Schwindungsverhalten, während die zuschlagsmaterialarme Schicht eine oberflächliche Schicht ist, die durch gezieltes Anschmelzen und Erstarren lassen des Kunststoffmaterials im Formgebungswerkzeug an der Oberfläche entsteht.
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In einer Ausführungsform kann das Faserhalbzeug schon vor dem Anordnen in dem Formgebungswerkzeug mit dem zuschlagmaterialhaltigen Kunststoffmaterial beschichtet werden. Hierbei muss lediglich beim Anordnen in das Formgebungswerkzeug auf die richtige Orientierung des Halbzeugs geachtet werden, so dass die Seite mit dem zuschlagmaterialhaltigen Kunststoffmaterial die spätere Sichtoberfläche bildet. Alternativ dazu kann das zuschlagmaterialhaltige Kunststoffmaterial auch erst nachdem Anordnen des Halbzeugs in dem Formgebungswerkzeug etwa durch Einspritzen eingebracht werden. Durch die gezielte beispielsweise mittels induktiver Werkzeugbeheizung erfolgte Erwärmung der Beschichtung an der Sichtoberfläche zum Anschmelzen des Kunststoffmaterials kann dort die Oberfläche zu höchster Glätte und Faser- beziehungsweise Füllstofffreiheit an ihre Sichtoberfläche gebracht wenden.
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Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt.
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Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Seitenschnittansicht durch ein beschichtetes Faserkunststoffsubstrat nach dem Stand der Technik direkt nach der Beschichtung,
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2 das beschichtete Substrat aus 1 nach Langzeitschwindung,
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3 eine schematische Seitenschnittansicht durch den Schichtaufbau eines erfindungsgemäßen Faserkunststofflaminat-Bauteils direkt nach der Herstellung,
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4 den Schichtaufbau aus 3 nach Langzeitschwindung.
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1 und 2 verdeutlichen die Oberflächenentwicklung eines kunststoffbeschichteten Bauteils, wenn eine Tragstruktur 1 aus einem Faserverbundkunststoff mit einer herkömmlichen Beschichtung 3 versehen wird. Die in 1 dargestellte, anfänglich noch glatte Oberfläche bildet aufgrund des unterschiedlichen Schwindungsverhaltens von Tragstruktur 1 und Beschichtung 3 im Verlauf der Zeit Eindellungen aus und weist allmählich, wie in 2 skizziert, Rauhigkeiten auf, die die Struktur des darunter liegenden Faserkunststoffsubstrat 1 abbilden.
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Anders das erfindungsgemäße Faserkunststofflaminat-Bauteil, das auf der Sichtseite des Bauteils eines tragenden faserverstärkten Kunststoffsubstrat 1 eine Beschichtung 2 aufweist, wie in 3 und 4 zu sehen ist. Die erfindungsgemäße Beschichtung 2 besteht aus einem mit Kurzfasern und/oder Füllstoffen versetzten Kunststoffmaterial, dessen Zusammensetzung so gewählt wird, dass seine Eigenschaften hinsichtlich Schwindungsverhalten und Wärmedehnung denen des faserverstärkten Kunststoffsubstrats 1 entsprechen. Hierdurch wird die Bildung von Schwindungsdellen an der Sichtoberfläche minimiert. Zudem gestattet der Zweischichtaufbau der Beschichtung 2 mit der Schicht 2b, die an das Kunststoffsubstrat 1 angrenzt, und der kurzfaser- bzw. füllstoffarmen Schicht 2a, die an die erste Schicht 2b angrenzt und die Sichtseite des Bauteils bildet, die Ausbildung einer sehr glatten Oberfläche mit hoher optischer Güte, die als Bauteilaußenhaut verwendbar ist. Ist das Kunststoffmaterial der Beschichtung 2 mit Farbpigmenten versetzt, erübrigt sich die Lackierung des Bauteils. Außer mit Farbpigmenten kann das Kunststoffmaterial der Beschichtung 2 weitere lacktypische Inhaltsstoffe aufweisen, etwa Metallpartikel, falls das Erscheinungsbild einer Metallic-Lackierung erwünscht ist.
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Die Beschichtung 2 der tragenden Fasergewebe-Kunststoff-Unterstruktur 1 kann also durch eine farbige, kurzfasergefüllte Kunststoff-Deckschicht 2 gebildet werden, die bevorzugt eine thermoplastische, schnellfeste Matrix aufweist und die, bei Verwendung gleicher Fasermaterialien und gleicher thermoplastischer Kunststoffe in Substrat 1 und Beschichtung 2 ein Volumenverhältnis von Kurzfasern zu Kunststoffmaterial und damit Eigenschaften umfassend die Wärmedehnung und Schwindung aufweist, die denen des Substrats 1 entsprechen.
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Geeignete thermoplastische Matrixwerkstoffe für Tragestruktur 1 und Deckschicht 2 sind z. B. thermoplastisches Polyamid (PA) bzw. Polyphthalamid (PPA) oder thermoplastisches Polyurethan (PU). Andere Thermoplaste sind aber auch denkbar.
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Geeignete Faserwerkstoffe für Tragstruktur 1 und Beschichtung 2 sind beispielsweise Glasfasern oder Kohlefasern, die in der Tragstruktur 1 und Beschichtung 2 mit einem Faseranteil von etwa 15 Vol.-% bis zu etwa 60 Vol.-% vorliegen. Gegebenenfalls kann der Faseranteil der Beschichtung 2 auch etwas geringer sein als der Faseranteil der Tragstruktur 1. Auch sind, abgesehen von Glas- und Kohlefasern, weitere Verstärkungsfasermaterialien, beispielsweise Keramik- oder Polymer- wie etwa Aramidfasern denkbar. Ferner kann das Zuschlagmaterial in der Beschichtung statt aus Kurzfasern auch aus einem pulverförmigen, bezüglich des Schwindungsverhaltens mit der Tragestruktur mischungsanteilmäßig abgestimmten Feststoffzuschlag bestehen.
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Zur Anpassung des Schwindungsverhaltens der Beschichtung 2 an das Substrat 1 können für beide gleiche Fasermaterialien gewählt werden. Weist das Substrat 1 jedoch Kohlefasern als Verstärkungsfasern auf, und diese als Kurzfaserzuschlag in der Beschichtung 2 farblich zu dunkel durchschlagen würden, könnte in der Beschichtung auch ein Glasfaserzuschlag und damit ein anderes Fasermaterial eingesetzt werden. Wegen deren unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten muss das Mischungsverhältnis Kurzglasfaser zu Kunststoffmaterial entsprechend angepasst werden, um das über das ganze Bauteil einheitliche Schwindungsverhalten zur oberflächlichen Schwindungsdellenminimierung zu erhalten.
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So kann durch die Aufbringung der farbgebenden, zum Ausgleich der Schwindung der FVK-Tragestruktur 1 kurzfasergefüllten Beschichtung 2 mit thermoplastischer Matrix entsprechend des ebenfalls thermoplastischen FVK-Tragestruktur-Matrixwerkstoffs bereits die Sichtoberfläche des Bauteils geschaffen werden.
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Die Herstellung des Faserkunststofflaminat-Bauteils erfolgt in einem Formgebungswerkzeug, in dem ein das faserverstärkte Kunststoffsubstrat 1 bildendes Halbzeug, etwa eine vorimprägnierte Fasermatte oder ein Hybridgewebe, das nicht-, teil- oder vollkonsolidiert vorliegen kann, mit dem die Beschichtung 2 bildenden zuschlagmaterialhaltigen Kunststoffmaterial angeordnet wird. Das Bauteil wird durch Zuführen von Warme und durch Ausüben eines Pressdrucks in dem Formgebungswerkzeug geformt, wobei durch die gezielte Wärmezufuhr an der Beschichtungsoberfläche der Zweischichtaufbau der Beschichtung 2 mit der zuschlagmaterialreichen ersten Schicht 2b angrenzend an das Kunststoffsubstrat 1 und der zuschlagmaterialarmen zweiten Schicht 2a durch Anschmelzen und erstarren Lassen des Kunststoffmaterials erhalten wird. Die zuschlagmaterialarme zweite Schicht 2a bildet dabei die Seite des Bauteils mit höchster Glätte aus, die als Sichtseite einsetzbar ist.
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Die Aufbringung der Deckschicht 2 kann dabei entweder schon als Beschichtung der Sichtseite des Fasermatten-Halbzeugs, das die Basis für das Substrat 1 ist, durchgeführt werden oder erst abschließend im Formgebungswerkzeug durch Einbringen als Sichtflächen-Farbschicht erfolgen. Jedenfalls wird die Beschichtung 2 im Formgebungswerkzeug durch gezielte Beheizung, z. B. mittels induktiver Werkzeugbeheizung, an der Sichtoberfläche erwärmt und das Kunststoffmaterial kurzzeitig angeschmolzen und so die Sichtoberfläche zu höchster Glätte und Faserfreiheit gebracht, indem die spritzgussbedingt an der Oberfläche freiliegenden Kurzfasern überschwemmt werden, die andernfalls zu Schlierenbildung führen könnten. Auch werden dadurch Poren an der Oberfläche eliminiert. Nach Entformung aus dem Formgebungswerkzeug ist das Faserkunststofflaminat-Bauteil hinsichtlich seiner Sichtoberfläche fertig und braucht diesbezüglich nicht mehr nachbehandelt werden.
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Beim Aufbringen der Beschichtung 2 auf das Halbzeug kann es sich um einen Spritzvorgang handeln, der innerhalb oder außerhalb des Formgebungswerkzeugs durchgeführt wird. So wird durch die Erfindung eine durch Einsparung des Lackiervorgangs kostengünstige, biegesteife und biegefeste, schnellhärtende Außenbeschichtung eines Fasergewebe-Kunststoffmatrix-Laminatbauteils mit hoher optischer Güte bereitgestellt, das als Teil einer Fahrzeug-Außenbeplankung verwendbar ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10259597 A1 [0003]
- US 5358779 [0005]
